民用高層鋼筋混凝土建筑結構設計優化

郭愛福 宣城市建筑設計院有限公司

1 前言

高層建筑結構設計優化方案不同，在建筑工程造價、安全質量和美觀性等多個方面也存在一定的差異。因此，在開展建筑結構設計優化工作過程中，要結合民用高層鋼筋混凝土建筑結構的實際情況，科學合理的選擇優化設計新思路和新方案，提高優化設計方案的有效性，進一步保證民用高層建筑工程施工建設質量，為人們提供更加安全、優質的生活環境。

2 民用高層鋼筋混凝土建筑結構設計原則和約束條件

2.1 原則

現代建筑工程中普遍采用鋼筋混凝土結構，需要嚴格按照以下幾種原則，保證設計方案的合理規范性，為后續建筑工程安全高效施工提供有力支持和保障。①安全性。針對民用高層建筑規劃設計和施工建設過程中，要堅持安全性原則，保證其結構穩定可靠性。安全性是整個建筑工程的關鍵所在，安全性是整個建筑工程的關鍵所在，提高設計方案的可行性，能夠增強鋼筋混凝土結構安全穩定性。全面分析民用高層建筑使用年限規劃過程中可能出現的相關突發狀況，制定合理措施有效應對。因此，在規劃設計民用高層建筑過程中，要高度重視建筑突發、偶發事件中的安全穩定性。②耐久性。民用高層建筑施工周期相對較長，需投入大量資金和資源。鋼筋混凝土是該建筑項目的主體部分，對整個建筑的使用年限產生直接影響。在設計民用高層建筑鋼筋混凝土的過程中，關注其安全性的同時提升建筑耐久性，有效延長民用高層建筑工程使用壽命，節約資源，提高各項資源的實際利用效率。建筑結構設計優化過程中，不斷提升建筑的功能性、安全穩定性，實現優化建筑工程耐久性目標[1]。③適用性。隨著人們生活品質的提高，對民用高層建筑工程施工質量提出更高要求。鋼筋混凝土在民用高層建筑建設過程中被廣泛應用，其質量對建筑工程的實際使用功能具有較大影響。在實際工作中要綜合考慮建筑工程結構的安全、適用性，結合用戶的實際需求，科學合理的規劃設計鋼筋混凝土的功能性，符合現代化建筑功能的實際要求。鋼筋混凝土的抗震、抗裂、抗變形等相關性能，為用戶提供更加安全、舒適的居住環境。

2.2 約束條件

建筑結構設計優化主要分為以下三個層次約束條件：①構件約束。對建筑結構設計優化過程中，要綜合考慮構件的剛度和安全穩定性，結合建筑工程的實際情況，在抗震設計等情況下全面分析構件最大形變量、拉伸性能等。對構件優化設計后，發揮其在建筑結構整體中的最大應用價值，不能削弱構件使用價值。比如，在框架設計優化過程中，在框架梁的端點位置科學合理的設計箍筋加密區，詳細計算架柱的軸壓比，獲得準確的計算結果，提升設計優化成效，更加符合相關數據要求。②組件約束。組件主要通過完成相同、相關功能的一系列構件組成。針對組件設計優化過程中，要保證其功能大于構件功能的加合。如，高層建筑框架中核心筒組件結構設計優化過程中，核心筒和外框架能夠當作單獨構件進行設計優化，但是針對框架-核心筒組件結構設計過程中，需要保證組件傾覆力矩、框架剪力和單個構件的傾覆力矩和剪力加合相比較大。③整體約束。主要是指高層建筑物整體結構相關的設計約束，針對整體約束條件進行設計時，要全面考量鋼筋混凝土結構的層間角位移、抗扭剛度、抗側剛度等，保證建筑結構的安全穩固性，提高建筑物舒適度，更加符合現代化人們對建筑的高標準要求。

3 民用高層建筑鋼筋混凝土結構設計存在的問題

3.1 結構體系問題

民用高層建筑工程設計工作開展過程中，要綜合考量多方面的影響因素，保證設計方案的合理規范性和可行性，增強鋼筋混凝土結構體系的安全穩定性，確保民用高層建筑地基始終處于穩定的狀態中。針對建筑工程的外觀實行美化設計，保證建筑變形控制在合理范圍之內，不斷優化其剛度[2]。在實際工作中強化水平加強層側向剛度，要針對性強化外柱剪力，全面考慮相關安全影響因素，當出現層間、頂點位移等問題時，需要采取相應措施進行妥善處理。

3.2 結構超高問題

由于社會的迅速發展，自然環境日漸凸顯，全球環境不斷惡化，自然災害不斷發生。人們在民用高層建筑施工設計過程中，更加注重其抗震性能。我國針對建筑工程制定相關標準內容中，將原有對高度約束內容設定為A 級，同時增加B 級高度。因此，在規劃設計民用高層建筑工程結構的過程中，需嚴格按照國家相關標準和規定進行科學合理的劃分，將其有效控制在相關規定范圍之內。當民用高層建筑屬于B級建筑的情況下，在實際操作和管理過程中全面按照B級建筑的范圍開展各項工作，合理設計優化，避免對建筑的抗震性能產生不良影響。要嚴格控制民用高層建筑高度，增強其抗震性能。當民用高層建筑鋼筋混凝土結構高度設計出現超標現象，大大降低建筑物的抗震效果。鋼筋混凝土建筑結構的高度不同，設計規定標準存在一定差異性，當鋼筋混凝土高度出現變化的情況下，尤其存在高度超標問題時，需要重新設計優化，保證建筑物高度在規定范圍之內。

3.3 短肢剪力墻設計問題

剪力墻是民用高層建筑項目的主體荷載單位，有效保證整個建筑物的安全穩定性和抗震性，同時基于短肢剪力墻的實際運用，進一步保證民用高層建筑的鋼筋混凝土結構，但是在現實運用中對數量方面具有比較嚴格的要求。通常情況下，短肢剪力墻的截面厚度需要控制在300mm 之下，高度和厚度的比值區間是4～8。但是，短肢剪力墻后續工作處理存在一定難度，需要設計人員保證工程項目符合抗震性和質量具體要求的基礎上，合理減少結構運用數量。

4 建筑結構設計優化策略

4.1 結構設計方案

科學合理的建筑結構設計方案是確保建筑工程安全穩定性的重要基礎。設計人員正式開展相關工作之前，需要做好充足的準備工作，專業性分析整個民用高層建筑結構設計方案的合理規范性、可執行操作性。詳細了解該工程項目結構設計各項參數，如民用高層建筑結構高度、抗震等級、有無平面和豎向不規則現象、鋼筋等級、混凝土標號、地基承載力等相關參數[3]。同時，在全面分析建筑工程結構整體內力的基礎上，詳細核查不同鋼筋混凝土構件內力控制計算值，如針對鋼筋混凝土構件配筋量進行調整過程中，需要結合現實荷載作用下構件的負荷特征實際轉變狀況，保證配筋量負荷荷載效應要求。綜合性分析經過優化調整之后，建筑結構的整體內力受力狀況。

另外，民用高層建筑框架結構選擇輕質墻板的情況下，折減系數為0.9；應用少量墻體、砌體的情況下，核算周期的折減系數區間為0.7～0.8；墻體為砌體時，該區間在0.6～0.7 之間。在規劃設計建筑物頂蓋和框架過程中，由于填充墻的現實運用剛度和結構實際剛度相比較小，會出現核算周期低于實際周期的現象，導致對建筑結構具有較大影響因素的出現。因此，在制定設計方案過程中，需要詳細核算建筑結構，合理有效折減其核算周期，有效改善建筑工程的使用功能。

4.2 抗震性能

地震自然災害對民用高層建筑物纏身較大危害，為人們生命財產安全帶來較大威脅。因此，需要注重建筑物的抗震性能設計，全面考察原有建筑物在地震災害發生時受到的不良影響，分析和了解建筑原有結構的抗震性能，從科學角度進行專業性探究和分析相關建筑物抗震設防措施的優勢和缺陷，進行客觀、系統性的綜合評價。建筑結構在地震發生的情況下，在多個方向受到損壞，需要從建筑物水平、豎直和扭轉方向分析建筑物地震作用強度。分析相關參數比是否符合相關標準規定，在建筑結構中科學合理的優化建筑設計結構，通過互相連接有效增強建筑結構對地震作用的抵御性能，同時能夠獲得良好的抵抗余震效果。

4.3 耐久性

民用高層建筑工程設計優化工作中，要更多注重結構優化，采用合理有效的方案進行設計優化[4]。設計人員容易忽略建筑物結構耐久性問題，因此，建筑物規劃年限過程中，要滿足用戶的所有訴求，在實際工作中全面分析建筑結構耐久性的相關問題。建筑物受到外界自然氣候、溫濕度等動態變化條件的影響，對民用高層建筑的安全可靠性產生不同程度的影響，需要增強建筑自身的耐久性，解決建筑物使用、經濟和技術要求沖突問題，提高工程綜合價值。

4.4 剪力墻

剪力墻屬于民用高層建筑中主要的抗側力構件，用鋼量占據標準層單位面積用鋼量的46%以上。建筑結構設計優化工作中，需在其符合相關規定剛度和位移的基礎上，盡可能減少剪力墻的設置。設計人員可以通過結構分析軟件的層間位移角數值，分析剪力墻的布置。當計算值大于規范值的情況下，可以結合以下幾種方法合理調整：一是結合“強周邊、弱中間”的設計原則，增強建筑物周邊強度，優化設計剪力墻，加大其之間的距離，防止在短距離內設置較多剪力墻，進而有效減少剪力墻墻肢數量，增強建筑平面設置靈活性的基礎上，提高建筑結構整體抗側力剛度，節約工程成本。二是綜合考量剪力墻轉折形墻肢對邊緣構件的影響，減少暗柱設置數量。三是結合“多連續”原則，盡可能將建筑結構兩個方向上剪力墻經過連梁、框架梁的方式構成一個整體，進而有效增強建筑結構抗側剛度。

4.5 框架梁

完善建筑物框架梁，結合建筑結構整體內力詳細分析各個梁結構內力和布置方位，保證梁結構幾何特點符合相關要求，進而明確配筋量。框架梁的設計優化不僅要考慮建筑物結構強度和經濟因素，還要關注其是否對正常視線產生不良影響。首先，要詳細分析和了解建筑圖紙和信息資料，確定梁布置的合理規范性，綜合考量相關影響因素，防止對入戶屋頂梁影響正常視線，降低用戶體感，同時應用平行梁或十字梁對荷載較小的標準層樓板合理劃分樓板，節省成本。針對地下室受力相對較集中的位置應用井字梁（如圖1），進一步保證梁結構強度，有效符合建筑物凈高度要求。最后，結合實際需求合理評估梁橫截面尺寸合理性，保證其符合相關施工條件和要求，同時詳細分析是否需要降低梁寬和高。通過軟件分析配筋數量是否符合建筑物結構標準，適當減少其用量，降低工程施工成本。

圖1 井字梁結構

4.6 樓板

建筑物樓板中會埋設管道，需要嚴格控制其厚度，避免樓板厚度較小，受到管道的作用出現開裂現象，帶來安全問題。樓板過厚會浪費大量材料，違背經濟性原則，增加施工成本。一般情況下減少大跨度厚板，應用彈性假定方法設計最佳樓板厚度，結合厚度設計配筋量，確保鋼筋數量符合標準的最小值，減少材料浪費現象。

4.7 基礎部分設計優化

民用高層建筑自身具有裙房，需要將其和主建筑區域分別設計優化，應用不同設計方案，結合相關信息材料掌握建筑物和裙房地基地質和承載能力，明確其中有無軟弱層，應用相適應方法實現兩者的差異化沉降。要準確了解建筑原來設計圖紙各項參數，確定樁柱設計合理性。地下室荷載設計需保證合理有效性，嚴格控制地下是頂板厚度和用梁形式，確保頂板厚度符合標準，當上部土層覆蓋較多的情況下應用井字梁，土層覆蓋較少應用十字梁。增強地下室防水性能，需減少其裂縫，控制其寬度小于0.2mm，結合建筑行業最新標準設計優化頂板和外墻。不同建筑物的實際情況存在差異性，荷載取值存在相應程度的轉變，但是不能小于最低標準。結合實地勘察報告分析地下室主要受力部分的巖石特性，明確裙樓底板是否需要增強防水設計。

4.8 鋼筋、混凝土

民用高層建筑工程建設過程中，施工人員合理應用鋼筋和混凝土，降低工程造價和設備運行成本，創造更多的綜合效益。民用高層建筑工程造價主要包括施工費用、框架結構料費、資料費等，鋼筋混凝土使用量和工程總造價具有直接關系。因此，在合理范圍之內針對性減少鋼筋使用量，在相應條件下可采用高強鋼筋、混凝土，有效減少建筑工程費用支出。當民用高層建筑為厚軟類型的地基，由于建筑和地基荷載相對較大，科學合理的運用高強鋼筋和混凝土，能夠有效實現構建橫截面的優化，大大降低設備施工難度，節約建筑工程造價。

5 結束語

民用高層鋼筋混凝土建筑結構繁雜，對設計優化具有較高的專業性要求。設計人員在實際工作中遵守設計優化原則，明確相關約束條件，科學合理的規劃設計方案，進一步優化建筑結構抗震性能和耐久性，同時實現剪力墻、框架梁、樓板、基礎部分、鋼筋、混凝土的設計優化，全面提高建筑結構整體的安全穩定性，減少建筑工程施工成本，獲得最大化的經濟效益。